高分辨DFT调制滤波器组的设计及其在通信信号处理中的应用

In the new-generation broadband communication systems, high-speed data transmission technique is one of the crucial techniques. Along with the deepgoing investigation of the OFDM transmision technique, it is found that OFDM suffers from poor time-frequency aggregativeness and serious spectrum leakage. As a result, it is difficult for the OFDM to realize high freqeuncy resolution (also known as high-resolution). Such deficiency of the OFDM can probably be remedied by the DFT modulated filter bank, which has the potential to realize high-resolution. However, the conventional design algorithms of the DFT modulated filter bank are mostly based on the semi-definite program, which is of high computational complexity. Therefore, it is difficult for the existing algorithms to design high-resolution DFT modulated filter bank. Furthermore, the filter bank is always influenced by noise and interference in the real communication systems. Nevertheless, existing methods basically have not considered the design of the DFT modulated filter bank under stochastic condition. In view of these points, in this project, the linear search algorithm and the bi-iterative algorithm are used in fast design of the high-resolution DFT modulated filter bank, the robust optimzation is utilized in robust design of the filter bank, and the application of the filter bank in multicarrier transmission and other communication signal processing are also investigated.

在新一代宽带通信系统中，高速数据传输技术是核心技术之一。随着OFDM传输技术研究的不断深入，其显现出时频聚集性差、频谱泄露严重等缺陷，难以达到高的频率分辨率(简称高分辨)。DFT调制滤波器组可具备高分辨，有望改善OFDM的缺陷。然而，现有的DFT调制滤波器组的设计算法大都基于半定规划，算法复杂度高，难以实现高分辨DFT调制滤波器组的设计。并且，在实际通信系统中，滤波器组难免受到噪声和干扰等随机因素的影响。但是，现有的方法基本未考虑随机情况下DFT调制滤波器组的设计问题。基于这几点，本项目拟利用线性搜索算法(linear search algorithm)和双迭代算法来研究高分辨DFT调制滤波器组的快速设计问题，同时拟利用鲁棒优化(robust optimization)方法来研究高分辨DFT调制滤波器组的稳健设计问题，并研究高分辨DFT调制滤波器组在多载波传输等通信信号处理中的应用。

当前，移动通信技术正以迅猛之势向前发展，在4G商用的背景下，5G技术的研究已经全面铺开。在移动通信技术的诸多关键技术中，数据传输技术一直是核心之一。3G、4G移动通信中，数据传输采用正交频分复用(OFDM)技术。然而，随着研究和应用的深入，OFDM显现出时频聚集性差、频谱泄露严重等缺陷，难以达到高的频率分辨率(简称高分辨)。为此，许多学者提出了采用基于滤波器组的多载波调制技术，有望改善OFDM技术的性能，成为新一代数据传输技术。在滤波器组中，DFT调制滤波器组可具备高的分辨率和低的实现复杂度。本项目在四年的研究过程中，按照任务书的内容安排，在一维和高维高分辨DFT调制滤波器组的设计及其在通信信号处理中的应用方面，开展了广泛的研究工作，取得了一系列重要的理论成果，其中包括：提出了一维高分辨DFT调制滤波器组的设计算法，可以用于上千通道数滤波器组的快速设计；提出了两维高分辨DFT调制滤波器组的快速设计算法，设计的两维滤波器组通道数可达800；研究了基于DFT调制滤波器组的多载波结构的设计算法，其整体性能优于现有算法。本项目的研究成果，为基于滤波器组的多载波结构的设计提供了扎实的理论支撑，从而推动多载波调制技术在新一代移动通信中的应用。